Formació de patrons biològics mitjançant senyals polsades

• Alan Turing va descriure per primera vegada com apareixien els patrons regulars que es troben en els éssers vius, com per exemple les ratlles de les zebres.

• Un estudi en col·laboració entre l’IFISC i la Universitat de Princeton planteja un mecanisme alternatiu per a explicar aquesta formació de patrons.

Entendre com es generen formes regulars (patrons) en la naturalesa és una qüestió clau, ja que aquestes tenen una gran influència sobre la funcionalitat, resiliència i propietats dels organismes i les seues agregacions. Estructures de característiques tan diverses com els dibuixos en la closca d'un insecte, les ratlles d'una zebra o els cultius de bacteris han sigut objecte d'anàlisi durant dècades, principalment amb la intenció d'entendre com es generen.

Un recent estudi en el qual han col·laborat Eduardo Colombo, de la Universitat de Princeton en els Estats Unidos al costat de Cristóbal López i Emilio Hernández-García, de l’IFISC (UIB-CSIC), ha identificat un nou mecanisme de formació de patrons en contextos biològics. El treball, publicat en Physical Review Letters, planteja un model matemàtic en el qual aquests patrons emergeixen a partir de la interacció d'organismes que es comuniquen mitjançant l'emissió intermitent de senyals nocius.

En els anys 50 del segle passat el matemàtic britànic Alan Turing va trobar un mecanisme molt general capaç d'explicar alguns dels patrons que es troben en la Naturalesa. No obstant això, aquest mecanisme no estava necessàriament lligat a l'activitat vital, amb el que ha sigut igualment aplicat a entendre altres estructures que apareixen espontàniament en sistemes inerts, com a reaccions químiques, dispositius òptics, mecànics, etc. En essència, el procés de Turing consisteix en la competició entre una substància que tendeix a multiplicar-se, i que al seu torn genera una altra substància capaç d'eliminar la primera de manera poc eficient, però tenint una major mobilitat i per tant ocupant llocs on la primera substància encara no ha arribat. Després de 70 anys d'investigació s'han identificat centenars de sistemes físics, químics i biològics que es poden explicar mitjançant el procés de Turing amb algunes variacions.

El nou mecanisme plantejat en aquest estudi també necessita de dos tipus de substàncies, una d'elles capaç d'eliminar l'altra, que és qui la produeix. La novetat del model radica en el fet que la producció d'aquesta segona substància es realitza de manera polsada, intermitent. També és necessari que la substància produïda es propague per l'espai d'una certa forma, per exemple tal com es propaguen els líquids en mitjans porosos. En aqueixes situacions, en casos en què el mecanisme de Turing no és capaç de generar estructures, i les substàncies es distribuirien homogèniament en l'espai, la producció intermitent desestabilitza la distribució homogènia i les substàncies s'agrupen formant estructures periòdiques com a franges.

El mecanisme proposat pot ser de rellevància en patrons en els quals la interacció entre elements es produeix mitjançant polsos molt curts comparats amb els processos de reacció. Entrarien dins d'aquesta categoria patrons que es troben en la química o l'ecologia, com per exemple en cultius bacterians on els bacteris poden segregar toxines de manera intermitent.

Colombo, Eduardo H.; Lopez, Cristobal; Hernandez-Garcia, Emilio. Physical Review Letters 130, 058401 (1-5) (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.058401